低速冲击下纤维/金属层合板抗分层性能研究

本文采用内聚力模型,对纤维/金属层合板(FMLs)在低速冲击载荷作用下抗分层性能进行研究。内聚力模型对裂纹的模拟具有它独特的优势：一是该模型不需要预先假设初始缺陷;二是在计算过程中随着裂纹的扩展,该方法不需要重新对结构进行网格划分。借助该模型,本文对低速冲击载荷作用下,纤维层合板(FRP)分层进行了模拟,并验证了该模型计算的有效性。在此基础上,本文研究了低速冲击载荷作用下,不同金属含量的纤维/金属层合板抗分层性能,并与纤维层合板进行了比较。最后从能量的角度讨论了金属含量与铺层结构对FMLs低速冲击性能的影响。     

低速冲击下压电层合板的非线性动力响应与疲劳损伤寿命分析

基于损伤力学,考虑压电效应、几何非线性和损伤演化的影响,建立了集中载荷作用下压电层合板的非线性运动微分方程,考虑撞击物与压电层合板之间的弹性接触效应,确定了层合板所承受的冲击力.对此非线性动力问题,采用有限差分法进行求解,且引入损伤层合板单元模型,采用有限元方法模拟了冲击荷载作用下压电层合板的损伤演化.算例中,讨论了撞击物的冲击速度、压电材料以及损伤对压电层合板非线性动力响应的影响,以及周期冲击荷载下冲击速度和压电材料对压电层合板疲劳损伤寿命的影响.     

复合材料层合板的二次屈曲和二次分枝点分析

为了研究复合材料层合板的二次分叉特性 ,利用能量变分原理和非线性几何方程建立了具有弹性约束的复合材料层合板在面内载荷作用下的非线性稳定性控制方程组。控制方程组用广义傅立叶级数法进行求解 ,并得到载荷 -挠度曲线。基于分叉理论中的 Lerray-Schaulder定理 ,采用小挠动法 ,直接导出了复合材料层合板的二次失稳方程。研究结果表明 ,非对称层板也可能存在分叉 ,弹性转动支持系数和铺层等因素对二次分叉有很重要的影响。随着弹性系数的增大 ,二次失稳载荷值与初次失稳载荷值之比下降     

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探讨了载荷重构技术在智能化复合材料结构健康监测中的应用，着重针对一个自感 知复合材料层合板的载荷重构进行了研究. 首先，基于弹性波动理论和层合板理论，建立了 低速冲击载荷作用下正交铺层层合板的前向波动模型的状态空间表达式；通过构造误差指标 $J$, 应用优化求逆重构了载荷时程和载荷的作用点，并应用算例对以上方法进行了验证.     

具有分层损伤的不同加筋形式复合材料层合板的后屈曲性态研究

基于板的一阶剪切理论和V on-K arm an大挠度理论,分别推导了复合材料层合板和层合梁的几何非线性有限元列式,提出了含嵌入分层的复合材料加筋层合板在受压缩载荷作用下的后屈曲有限元分析方法,对在板厚方向具有不同分层位置的加筋板结构进行了有限元数值分析,研究了不同的加筋方式及筋的分布对具有分层损伤的复合材料加筋层合板的后屈曲性态的影响,所得结果对确定在压缩载荷作用下含损伤复合材料加筋层合板的剩余承载能力具有参考价值。     

含分层损伤复合材料层合板的压缩强度研究

给出了基于一阶剪切变形理论的含分层损伤层合板有限元分析模型,将含分层损伤层合板在压缩载荷作用下的强度破坏分析和屈曲破坏分析统一起来。先区分其破坏形式,然后再进行具体破坏分析,在屈曲特性分析中考虑了铺层强度破坏引起的刚度折减的影响,数值结果表明,该文给出的方法和结论对含分层损伤复合材料层合板的设计更具参考价值。     

大开口复合材料层合板强度破坏研究

复合材料层合板的各向异性及非均质,使得复合材料层合板内部的破坏形式非常复杂.在复合材料结构的设计中,为满足制造及使用功能上的需求,在复合材料层合板承力结构件上不可避免地需要设计各种开口.然而,含大开口复合材料层合板的强度破坏问题变得更为复杂,使得现有的强度理论面临新的挑战.针对碳纤维增强复合材料大开口层合板受单向拉伸载荷作用下的强度破坏问题进行了数值分析和实验研究.首先,根据Hashin准则和刚度退化模型,对含不同圆形开口尺寸的[0]_(10)单向铺层、[0/90]_5和[±45]_5正交铺层的层合板,进行了单向拉伸载荷作用下渐进失效的数值模拟分析,获得了对应结构的极限载荷和破坏模式.在此基础上,采用数字图像相关方法,进行复合材料大开口层合板强度破坏的实验研究.研究结果表明,大开口复合材料层合板在单向拉伸加载下主要呈现脆性破坏形式,破坏起始位置处于应力集中区.此外,破坏强度和失效模式与复合材料铺层方式和开口尺寸大小密切相关.其中[±45]_5铺层的开口层合板承载能力最弱,分层破坏最严重.开口尺寸越大,结构的极限载荷值越低.同实验测试结果相比,数值模拟对复合材料层合板的损伤失效分析略显不足,往往很难全面分析复合材料层合板破坏失效过程中的各种因素的影响.     

双模量面板泡沫铝芯圆形层合板的非线性弯曲

双模量材料是典型的拉压弹性模量不同的材料,在均匀外载荷作用下,双模量面板泡沫铝芯圆形层合板相当于三种不同材料组成的层合板。采用弹性理论建立了双模量面板泡沫铝芯圆形层合板在均布载荷作用下的静力平衡方程,利用该静力平衡方程确定了层合板的中性面位置。在此基础上建立了双模量面板泡沫铝芯圆形层合板的大挠度弯曲微分方程组,求得了层合板中心挠度与均布载荷的关系式。该方法计算结果与有限元计算结果的最大误差仅为3.8%,这说明该方法是可靠的。算例分析表明不考虑面板拉压弹性模量相异时其计算结果与实际情况相差较大,超过了工程上所允许的计算误差5%。所以,在计算双模量面板泡沫铝芯圆形层合板的非线性弯曲时,不宜采用相同弹性模量弹性理论,而应该采用拉压弹性模量不同的弹性理论。     

含切口损伤复合材料层合板拉伸失效行为研究

对含有不同切口损伤的复合材料层合板试件进行了拉伸试验,采用电阻应变计同步测量切口损伤前缘区域随载荷的变化,测定含切口损伤层合板的剩余强度,并讨论了损伤长度和损伤角度对剩余强度的影响规律。建立含切口损伤复合材料层合板有限元模型,分析了含切口损伤复合材料层合板的拉伸失效行为,计算了含切口损伤复合材料层合板的剩余强度,确定了剩余强度与切口损伤状态的关系。计算结果与试验结果具有较好的一致性。     

正交铺设层合板的蠕变屈曲分析

研究了正交铺设层合板的蠕变失稳问题。为了更好地模拟实际情况，在单层板的本构关系中，材料各主方向模量的松也时间均取不同值，并在建立控制方程时考虑了横向剪切变形的影响，通过理论分析，得到了粘弹性层合板的瞬时弹性临界载荷和持久临界载荷，并在算例中首次利用时间增量方法得到了有初始度层合板在长期受地的蠕变变表，计算结果表明了持久临界载荷对于粘弹性层合板的具体含义，从而使粘弹性层合板的为屈曲问题有了较为完整的     

基于局部移动Kriging无网格方法的层合板自由振动分析

利用基于局部移动Kriging插值无网格法对层合板自由振动进行了数值分析,基于一阶剪切层合理论导出了层合板振动的控制方程和边界条件,进一步得到了自由振动的离散化特征方程。由于Kriging插值函数具有Kronecker delta函数性质,可以直接施加本质边界条件。通过本文给出的方法,对不同边界条件、不同跨厚比、不同材料参数和铺设角度的层合板的振动频率进行了计算,均得到满意结果。最后用该方法对层合板的铺设角度进行优化设计,得到了与已有文献完全一致的优化结果。数值结果充分表明了无网格Kriging方法分析层合板自由振动问题的有效性和高精确度。     

Boundary element method for model analysis of 2-D composite structure

The boundary element method is used for the modal analysis of free vibration of 2-D composite structures in this paper. Since the particular solution method is used to treat the terms of body forces (inertial forces) in the equation of motion, only static fundamental solutions are needed in solving the problem. For an isotropic cantilever beam, the numerical results obtained by using the BEM presented in this paper are in good agreement, with, those of using FEM or other BEM, but this BEM can also be used to analyze problems for anisotropic materials. For simply supported composite laminated beams, the comparisons of the numerical reslts obtained by this method with the analytical results obtained by 1-D laminated beam theory indicate that if the ratio of length/thickness is greater than 20, the results of the two methods are in good agreement, but if the ratio of length/thickness is less than 20, big errors will occur for 1-D laminated beam theory.     

二维复合材料结构模态分析的边界元法

将边界元方法用于分析二维复合材料结构的自由振动模态，利用特解处理体积力（惯性力）仅需静态基本解就可求解问题，对一各向同性悬臂梁，用该法得到的结果与用有限元或各向性边界元法得到的结果符合得很好，但该法可解各向异性问题，对层状复合材料简支梁，用该法得到了数值结果与用一维层状复合材料梁的理论解的比较表明，当结构的长厚比大于２０时，二者符合得很好，当结构的长厚比小于２０时，一维层状材料梁的理论将产生很大的     

Theoretical and experimental studies on nonlinear oscillations of symmetric cross-ply composite laminated plates

The nonlinear oscillations and resonant responses of the symmetric cross-ply composite laminated plates are investigated theoretically and experimentally. The governing equations of motion for the composite laminated plate are derived by using the von Karman type equation, Reddy’s third-order shear deformation plate theory, and Galerkin method with the geometric nonlinearity. The four-dimensional averaged equation is obtained by using the method of multiple scales. The frequency-response functions are analyzed under the consideration of strongly coupled of two modes. The influences of the resonance case on the softening and hardening type of nonlinearity are analyzed with different parameters for the composite laminated plates. The numerical results indicate that there exist the hardening and softening types of the composite laminated plate in the specific resonant case. The variation of the response amplitudes is studied for the composite laminated plate under combined the transverse and in-plane excitations. A sweep frequency experiment is performed to obtain the hardening and softening nonlinearities of a composite laminated plate. The experimental results coincide with the numerical results qualitatively. The influences of the excitation amplitudes on the softening and hardening types of nonlinearity are also analyzed for the composite laminated plate. The amplitude spectrums of the test plate also demonstrate that the change of the nonlinear dynamic responses may be caused by the subharmonic resonance.     

基于逆复合二次径向基函数的对称复合材料层合板自由振动分析

利用逆复合二次径向基函数无网格配点法对Reddy的高阶剪切变形理论进行离散,预测了对称复合材料层合板的自由振动特性.将不同材料参数、几何尺寸和边界条件的层合板固有频率计算结果与相关文献中的结果进行对比,结果表明:逆复合二次径向基函数在对称复合材料层合板自由振动分析方面具有收敛性好及精度高等一系列优点.     

复合材料层合板自由振动分析的无网格自然邻接点Petrov-Galerkin法

基于一阶剪切变形理论,提出了复合材料层合板自由振动分析的无网格自然邻接点Petrov-Galerkin法。计算时在复合材料层合板中面上仅需要布置一系列的离散节点,并利用这些节点构建插值函数。在板中面上的局部多边形子域上,采用加权余量法建立复合材料层合板自由振动分析的离散化控制方程,并且这些子域可由Delaunay三角形方便创建。自然邻接点插值形函数具有Kronecker delta函数性质,因而无需经过特别处理就能准确地施加本质边界条件。对不同边界条件、不同跨厚比、不同材料参数和不同铺设角度的复合材料层合板,由本文提出的无网格自然邻接点Petrov-Galerkin法进行自由振动分析时均可得到满意的结果。数值算例结果表明,本文方法求解复合材料层合板的自由振动问题是行之有效的。     

BUCKING AND FREE VIBRATION OF PIEZOELECTRIC/PIEZOMAGNETIC LAMINATED NANO-BEAM 1)

针对压电/压磁层合纳米梁屈曲、自由振动问题，基于非局部理论与正弦剪切型变形梁理论，建立了力学模型；利用哈密顿原理推导出层合梁运动方程与边界条件；通过数值解法求得层合梁临界屈曲载荷与自由振动频率。对数值结果分析可知：磁电弹夹层对压电/压磁层合纳米梁屈曲和自由振动的影响不能忽略；磁电弹夹层中压电或压磁材料的体积分数和夹层厚度为主要影响因素；分析得到的影响规律可为此类材料在工程中的应用提供理论参考。     

Free-edge interlaminar stress analysis of piezo-bonded composite laminates under symmetric electric excitation

A stress function-based approach is proposed to analyze the free-edge interlaminar stresses of piezo-bonded symmetric laminates. The proposed method satisfies the traction free boundary conditions, as well as surface free conditions. The symmetric laminated structure was excited under electric fields that can generate induced strain, resulting in pure extension in the laminated plate. The governing equations were obtained by taking the principle of complementary virtual work. To verify the proposed method, cross-ply, angle-ply and quasi-isotropic laminates were analyzed. The stress concentrations predicted by the present method were compared with those analyzed by the finite element method. The results show that the stress function-based analysis of piezo-bonded laminated composite structures is an efficient and accurate method for the initial design stage of piezo-bonded composite structures.     

非线性压电效应下压电层合板的弯曲

考虑非线性压电效应,即电致弹性和电致伸缩效应情况下压电层合板的弯曲。从非线性压电方程和几何方程导出了压电层合板合应力、合力矩与应变之间的广义本构关系,这些关系关于电场是非线性的。利用Ritz法和双傅立叶级数得到四边简支对称压电层合板在高电场作用下的非线性解并进行计算。结果表明,只考虑线性压电效应只能适应于作用电场较低或基础层的刚度比压电层的刚度要大得多的情况。     

基于凹坑深度的复合材料低速冲击损伤分析

对复合材料层合板进行了低速冲击实验,建立了冲击凹坑深度与冲击能量的关系。依据凹坑深度反推冲击能量,并用能量确定冲锤质量和冲击速度,从而可对层合板进行动态数值模拟。冲击凹坑深度与冲击能量的关系表明,凹坑深度的变化是与冲击能量的变化过程相适应的,在此基础上对损伤的分布形式及大小做了详细的分析。采用ANSYS有限元程序对复合材料层合板横向低速冲击进行模拟,采用瞬态分析方法来研究层合板的冲击与损伤过程。对冲击后的试验件进行了C扫描损失检测。计算和试验结果表明,此方法是可行的,特别适合于层合板冲击后的损伤评估。